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    三維虛擬試衣系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)及發(fā)展

    2019-09-10 07:22:44何宇雯尚笑梅

    何宇雯 尚笑梅

    摘 要:對三維虛擬試衣系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展做了總結(jié),比較了三維虛擬試衣系統(tǒng)與二維虛擬試衣系統(tǒng)的特點(diǎn),簡要介紹了三維虛擬試衣系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)構(gòu)成,包括三維人體測量技術(shù)、人體建模技術(shù)、三維虛擬試衣操作技術(shù)。分析了現(xiàn)階段存在的難點(diǎn),提出今后系統(tǒng)發(fā)展的方向,及對三維虛擬試衣系統(tǒng)的展望。

    關(guān)鍵詞:三維虛擬試衣;人體測量;人體建模

    中圖分類號:TS941.17 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ?文章編號:1674-2346(2019)02-0025-05

    0 ? ?引言

    隨著數(shù)字化與計(jì)算機(jī)交互應(yīng)用的快速發(fā)展,在服裝消費(fèi)領(lǐng)域,人們越來越青睞于“便捷購物”模式,其中最具代表性的就是“網(wǎng)購”這一消費(fèi)模式。與在特定商場購物相比,方便快捷、省時(shí)省力是服裝網(wǎng)購的最大優(yōu)點(diǎn)。[1]但足不出戶的消費(fèi)方式也帶來了新的問題,由于在購買前難以接觸到服裝實(shí)物,導(dǎo)致顧客最終的穿著效果與其預(yù)期產(chǎn)生較大偏差。差評率高、退貨率高也是服裝網(wǎng)購這一消費(fèi)模式帶來的最大問題。另外,實(shí)體店購買的消費(fèi)模式也存在選擇困難、試衣繁瑣等問題,為了優(yōu)化這些因素帶來的購物體驗(yàn),三維虛擬試衣系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

    三維虛擬試衣系統(tǒng),簡單來說就是根據(jù)用戶所測得的人體三維數(shù)據(jù),以計(jì)算機(jī)為輔助工具,建立人體三維模型,[2]并構(gòu)建相應(yīng)的服裝衣片模型,使顧客能夠在不接觸服裝實(shí)物的情況下,根據(jù)自己的喜好,方便快捷地更換不同的服裝,得到相應(yīng)的著裝立體效果模擬圖。[3]

    當(dāng)下,三維虛擬試衣系統(tǒng)是新興的、服務(wù)于電子商務(wù)的實(shí)時(shí)互動平臺,也是為顧客在實(shí)體店購買提供兼具娛樂性與便捷性的平臺。一方面,虛擬試衣系統(tǒng)的不斷發(fā)展為顧客提供了更多便利,大大減少了顧客在網(wǎng)購時(shí)因擔(dān)心服裝不合身或達(dá)不到預(yù)期效果而猶豫是否購買的顧慮;另一方面,在實(shí)體購買模式下,虛擬試衣系統(tǒng)不僅為商家減少人工成本,也給顧客提供更加方便精準(zhǔn)的服務(wù):顧客只需站立在由三維虛擬試衣技術(shù)支持下的試衣鏡前,動動手指就能方便地更換不同款式的服裝,并選擇合適的尺碼,減去反復(fù)試衣的繁瑣。

    三維虛擬試衣系統(tǒng)在國外的發(fā)展更為成熟。應(yīng)用較為廣泛的三維虛擬試衣系統(tǒng)有瑞士MIRALab實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的MIRACloth系統(tǒng),法國力克公司的E-Design系統(tǒng),以及加拿大PAD公司開發(fā)的跨平臺系統(tǒng)等,[4]大大擴(kuò)展了虛擬試衣的應(yīng)用范圍,也為消費(fèi)者帶來便利。

    國內(nèi)對三維虛擬試衣系統(tǒng)的研究尚處于探索階段,大部分還處于二維虛擬試衣階段,具有代表性的試衣網(wǎng)站有face72、和炫試衣等。如東華大學(xué)、北京服裝學(xué)院等都在積極探索三維虛擬試衣領(lǐng)域。

    1 ? ?3D與2D虛擬試衣的比較

    在目前市場上,二維虛擬試衣系統(tǒng)的應(yīng)用相比較于三維虛擬試衣會更加普遍一些。國內(nèi)外一些發(fā)展較為成熟的購物網(wǎng)站都相應(yīng)推出了二維虛擬試衣系統(tǒng),通過顧客自己對自身體型的大致描述,由系統(tǒng)自動生成的模特來完成試衣過程。雖比單純的圖片展示直觀,但由于其精確度不夠高、效果不夠逼真、技術(shù)不夠成熟等缺陷,容易給顧客帶來呆板的體驗(yàn),這也是不能被廣泛應(yīng)用的主要原因。對整個(gè)服裝市場而言,二維虛擬試衣系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益并不大。

    二維虛擬試衣的種種不足也讓研究者致力于對三維虛擬試衣系統(tǒng)的開發(fā)。三維虛擬試衣系統(tǒng)將試衣過程細(xì)分為人體數(shù)據(jù)測量、人體建模、服裝仿真以及展示等幾個(gè)部分,每個(gè)部分都有相應(yīng)的技術(shù)支持,在擁有二維虛擬試衣優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,更是大大提升了精確性與逼真性,擁有高效便捷、娛樂與實(shí)用并兼、個(gè)性化突出等優(yōu)點(diǎn),[5]使其應(yīng)用更加靈活,市場前景更加廣闊。

    2 ? ?三維虛擬試衣系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成

    三維虛擬試衣系統(tǒng)的技術(shù)框架,如圖1。

    2.1 ? ?三維人體測量技術(shù)

    三維人體測量是三維虛擬試衣系統(tǒng)的基礎(chǔ),有了精確的數(shù)據(jù)支撐,才有了建立人體模型的可能。三維人體測量技術(shù)從剛開始的接觸式、二維測量等發(fā)展到現(xiàn)在的非接觸式、三維測量等,且還在不斷向著自動測量及計(jì)算機(jī)分析方向發(fā)展。[6]傳統(tǒng)的接觸式手工人體測量法雖然簡單,但耗時(shí)太久,而且不穩(wěn)定因素多,精確度不夠高;非接觸式三維測量方法方便快捷,所得數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

    目前,在三維人體測量方面,應(yīng)用較為廣泛的有莫爾條紋法、激光測量法、立體攝影測量法等。[7]

    莫爾條紋是指光在通過光柵時(shí)發(fā)生干涉或衍射得到的條紋。[8]莫爾條紋測量就是指通過對莫爾效應(yīng)在被測物體表面形成的特殊條紋獲取測量信息的方法。在人體三維測量中,莫爾條紋法就是利用這種軌跡來進(jìn)行人體測量,通過圖像分布規(guī)律推演出人體輪廓數(shù)值。這種方法更適用于人體曲面的測量,但存在測量數(shù)據(jù)精確度不夠高的問題。為了改進(jìn)這一不足,研究者提出了投影光柵相位測量技術(shù),[9]簡單來說就是向被測者投射一定的光,人體表面對該光進(jìn)行調(diào)制使其發(fā)生形變變化,可利用相機(jī)記錄變化后的條紋,通過相關(guān)規(guī)則來確定被測者的三維數(shù)據(jù)。在人體三維測量技術(shù)中,莫爾條紋測量法屬于最早應(yīng)用的一種,也為后來不斷發(fā)展起來的新的測量方法奠定了基礎(chǔ)。

    激光測量法是利用激光測距儀來進(jìn)行人體數(shù)據(jù)測量的方法,根據(jù)激光發(fā)射和反射的時(shí)間計(jì)算出與被測物體之間的距離。激光測量法通過多個(gè)激光測距儀來收集數(shù)據(jù),在不同位置對被測者進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。計(jì)算機(jī)通過測距儀接收到的反射光的時(shí)間、位置、角度等,同步計(jì)算出被測者人體表面各點(diǎn)的坐標(biāo)值,進(jìn)而測得人體表面的所有有效數(shù)據(jù)。[10]此方法大大提高了數(shù)據(jù)精確度,但成本較高,而且需要被測者保持較長時(shí)間的靜止,容易給被測者帶來心理壓力。

    立體攝影測量法是一種利用被測物體的立體像來對模型進(jìn)行攝影測量的方法。利用2臺攝影機(jī)對被測者進(jìn)行不同方位的攝影,通過計(jì)算機(jī)分析得到人體表面同一點(diǎn)在不同攝影圖像上的對應(yīng)關(guān)系,并得到該點(diǎn)的具體三維坐標(biāo),可分為主動式與被動式2種測量系統(tǒng)。此方法在三維人體測量過程中包括:人體表面圖像的獲取、數(shù)字信號轉(zhuǎn)化與處理、系統(tǒng)定標(biāo)、完成人體輪廓圖像的采集與處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。[11]但是這種方法對凹面的測量精度不高,故使用范圍比較有限。

    2.2 ? ?三維人體建模技術(shù)

    通過對三維人體測量得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理,模擬出人體3D形態(tài),這是三維虛擬試衣系統(tǒng)的第二大關(guān)鍵技術(shù)。三維人體建模是一種以圖像為基礎(chǔ)不斷發(fā)展起來的人體三維建模方法,由線框建模、實(shí)體建模到曲面建模,三維人體建模技術(shù)不斷提高。

    線框建模法應(yīng)用相對較早,也是CAD幾何框架模型構(gòu)建技術(shù)中應(yīng)用最早的建模方法。該方法利用人體表面的一些特征性點(diǎn)、線、弧,構(gòu)建人體框架模型,所需要的參考數(shù)據(jù)較少,計(jì)算量相對較小,操作過程簡易方便,但隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展,線框建模也漸漸暴露出它的缺點(diǎn),線框模型多采用直線來勾勒,所涵蓋的信息有限,無法進(jìn)行剖面處理,對曲面描述不足,在人體建模中所建立的三維人體模型真實(shí)感較差。[12]但線框建模作為三維人體建模的基礎(chǔ),仍不可或缺,此方法比較適用于人體骨骼模型的建立。

    實(shí)體建模是計(jì)算機(jī)通過對基本體積元素進(jìn)行集合運(yùn)算,減少運(yùn)算難度,并生成相應(yīng)形體的一種建模技術(shù)。實(shí)體建模不僅能夠建立框架模型,還能建立物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀模型,因此比線框建模更能夠完整地表達(dá)物體信息,包括物體的點(diǎn)、線、面、體的信息。這種建模方法還能判斷可見邊,進(jìn)行消隱或顯示操作。常用的實(shí)體建模法包括體素法、掃描法以及空間單元表示法等,三者的特點(diǎn)如表1所示。在構(gòu)建人體模型時(shí),實(shí)體建模法相比較于線框建模在真實(shí)感方面有了大大提升,且剖切操作方便,但對人體曲面形態(tài)擬合性較差。[13]

    曲面建模又稱NURBS建模,是專門用于建立曲面物體模型的一種方法。曲面建模通過不同曲線關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)的曲面,將人體表面劃分成多塊曲面,通過拼接的方法構(gòu)建三維人體模型,具有運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。其中,曲面建模也包括三角曲面法、B樣條曲面法、散亂點(diǎn)插值法等,三者的特點(diǎn)如表2所示。目前,應(yīng)用較為廣泛的是B樣條曲面法。B樣條曲線是貝塞爾曲線的一種,非常靈活,曲線形狀隨頂點(diǎn)的變化而變化,[14]通過對頂點(diǎn)的控制,可以使B樣條曲線完美刻畫人體不同部位。曲面建模對于建立人體皮膚模型方面有著絕對優(yōu)勢,相比較于前兩種建模方式,曲面建模得到的人體模型會更加流暢。

    2.3 ? ?三維虛擬試衣操作技術(shù)

    三維虛擬試衣操作技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。虛擬試衣操作包括服裝型號的選擇、款式以及面料的選擇、色彩搭配等。[15]三維虛擬試衣操作的關(guān)鍵技術(shù)包括面料仿真、虛擬縫合以及試穿效果展示3部分。

    面料仿真包括服裝質(zhì)感仿真以及服裝懸垂性仿真。[16]對真實(shí)的服裝面料進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)字化操作,掃描達(dá)到相應(yīng)要求。幾十年來,國內(nèi)外研究者都致力于研究這方面,研究出了許多算法和建模方法,其中包括幾何建模和物理建模2種方法。[17]幾何建模重在對服裝本身外觀的表達(dá),在相關(guān)幾何、拓?fù)湫畔⒒A(chǔ)上建立服裝模型,關(guān)鍵及難點(diǎn)就在于服裝外觀造型的表現(xiàn),包括其褶皺性等;物理建模重在對服裝力學(xué)及運(yùn)動過程的表達(dá),對相關(guān)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系等分別建模?;谫|(zhì)點(diǎn)彈簧模型的物理建模方法也是目前面料建模應(yīng)用最為廣泛的一種方法。[18]服裝面料不同的原因之一是紗線織造方式的不同,[19]根據(jù)面料織物的各向異性特征,將各質(zhì)點(diǎn)由不同的彈簧連接,中心質(zhì)點(diǎn)與其周圍的質(zhì)點(diǎn)建立相關(guān)連接,真實(shí)地模擬面料,且連接的相鄰質(zhì)點(diǎn)越多,面料仿真效果越好。未來要不斷加快這些方面的研究才能將三維虛擬試衣系統(tǒng)推向更深入的發(fā)展。

    面料是服裝的載體。在三維虛擬試衣系統(tǒng)中,將三維人體模型與面料模型結(jié)合起來,通過縫合裁片,實(shí)現(xiàn)虛擬試衣。虛擬縫合過程包括預(yù)先設(shè)定縫合信息,即縫合對位關(guān)系;衣片初始位置擺放;施加縫合力;質(zhì)點(diǎn)位置設(shè)置;縫合結(jié)束以及三維轉(zhuǎn)化等。[20]在虛擬縫合中,關(guān)鍵性操作是將二維衣片進(jìn)行網(wǎng)格化剖分操作,將包含縫合對位信息的二維衣片進(jìn)行四邊域劃分,生成具有質(zhì)子彈簧結(jié)構(gòu)的柔性曲面網(wǎng)格。[21]

    虛擬試衣系統(tǒng)的最后一步是對試穿效果進(jìn)行展示。將設(shè)計(jì)的虛擬服裝試穿在三維人體模型上,進(jìn)行靜態(tài)與動態(tài)的效果展示,[22]能夠讓試穿者更加直觀地感受到服裝面料質(zhì)感、懸垂性、顏色、圖案等的表現(xiàn)效果,對實(shí)體服裝作真實(shí)的還原,方便快捷地為顧客提供參考及精準(zhǔn)服務(wù)。

    3 ? ?技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展方向

    目前三維虛擬試衣技術(shù)還存在以下難點(diǎn),筆者在研究的基礎(chǔ)上提出一些未來三維虛擬試衣系統(tǒng)的發(fā)展方向:1)三維人體測量數(shù)據(jù)的存儲問題。每個(gè)個(gè)體都有自己獨(dú)一無二的人體尺寸數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)如何保存也是接下來的研究需要解決的一個(gè)問題。筆者認(rèn)為數(shù)據(jù)存儲不僅可以使顧客避免在以后的試衣過程中再次進(jìn)行繁瑣的測量過程,另一方面也方便商家或研究者對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,設(shè)計(jì)出更符合大眾體型需求的服裝。[23]隨著電子信息的發(fā)展,未來計(jì)算機(jī)配置及內(nèi)存的不斷提高有望解決這一問題。2)三維人體測量在網(wǎng)購時(shí)的智能化應(yīng)用。隨著“試衣魔鏡”的開發(fā)和應(yīng)用,在服裝實(shí)體店,顧客站在試衣鏡前系統(tǒng)就能自動掃描出人體數(shù)據(jù);然而在網(wǎng)購過程中,人體數(shù)據(jù)測量并不方便,如何實(shí)現(xiàn)服裝網(wǎng)購的高智能化三維人體測量也是接下來需要完善的一方面。筆者認(rèn)為顧客可以通過線下平臺進(jìn)行三維人體測量,將得到的尺寸數(shù)據(jù)上傳給商家,再進(jìn)行一系列操作,但此方法較為繁瑣;葛彥等[24]運(yùn)用照相人體測量法,對拍攝結(jié)果進(jìn)行分析,得到相應(yīng)長度尺寸,通過相關(guān)回歸方程計(jì)算得到人體圍度尺寸,并驗(yàn)證了數(shù)據(jù)可靠性。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,提高網(wǎng)購人體測量的便捷性及智能化也可以通過攝像技術(shù)來完善:顧客在互聯(lián)網(wǎng)一端完成相應(yīng)的照相要求,商家或第三方平臺通過相關(guān)算法及公式計(jì)算得到顧客的所有相關(guān)人體數(shù)據(jù)。3)三維人體建模繁瑣。直接建模需要專業(yè)性極強(qiáng)的相關(guān)人員以及較高成本的設(shè)備支持;由于人體表面比較復(fù)雜,單一的線性放縮不能滿足建模需求,而模型重建法實(shí)時(shí)性又比較差。筆者認(rèn)為可將人體建模拆分成人體骨骼以及皮膚2個(gè)方面的建模,各自采用相對簡易的建模方式并進(jìn)行結(jié)合,在構(gòu)建面料模型時(shí),可多考慮一些外部影響因素(溫度、濕度等),提高模型精確性。4)虛擬服裝仿真性不夠。[25]數(shù)字化處理的服裝面料會與實(shí)物存在一定差異,無論是質(zhì)感還是懸垂性都難以達(dá)到完全真實(shí)的狀態(tài)。且為了達(dá)到更加逼真的狀態(tài),采用物理建模法對面料進(jìn)行建模,往往會存在計(jì)算量過大以及質(zhì)點(diǎn)彈簧模型存在超彈性和抖動現(xiàn)象。由于服裝面料的纖維呈非連續(xù)狀態(tài),所以可以考慮離散方法進(jìn)行模型的建立。5)在虛擬縫合中,縫合信息不夠精確,自動化程度偏低。整個(gè)虛擬縫合過程需要相關(guān)專業(yè)的人員和專門的交互軟件設(shè)定詳細(xì)的縫合信息才能完成,未來研究方向也可致力于相關(guān)軟件的開發(fā)和應(yīng)用。

    4 ? ?總結(jié)與展望

    隨著計(jì)算機(jī)交互科技的發(fā)展,三維虛擬試衣系統(tǒng)必將進(jìn)軍服裝行業(yè),提高服裝銷售的效率,增加電子商務(wù)的效益。三維虛擬試衣系統(tǒng)目前還不成熟,有待解決的技術(shù)難點(diǎn)與缺陷仍然存在。研究者們?nèi)匀恍枰谝延屑夹g(shù)的基礎(chǔ)上探索出更高效的新方法。三維虛擬試衣系統(tǒng)是一個(gè)龐大且需要不斷完善的系統(tǒng),它能將服裝消費(fèi)的整塊內(nèi)容整理成一條秩序井然的長鏈,從數(shù)據(jù)采集、建模、虛擬縫合到最終試穿展示。三維虛擬試衣是時(shí)代發(fā)展下的產(chǎn)物,也將為未來實(shí)現(xiàn)服裝個(gè)性化定制奠定基礎(chǔ)。目前,三維虛擬試衣系統(tǒng)還處于探索階段,屬于新興產(chǎn)物,而據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),對于新鮮事物,75.2%的人都樂意接受,這就利于三維虛擬試衣系統(tǒng)的推廣,[26]也意味著三維虛擬試衣系統(tǒng)擁有廣闊的市場前景。隨著科技的進(jìn)步,未來它也將成為服裝實(shí)體店及網(wǎng)購中不可或缺的一部分。

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    Abstract: This paper summarizes the application status and development of 3D virtual garment fitting system, compares the characteristics of 3D and 2D virtual garment fitting,and briefly introduces the related technical composition of 3D virtual garment fitting system,which includes 3D anthropometric techniques,human body modeling techniques,and 3D virtual fitting operation techniques.The paper analyzes the difficulties at the current stage,puts forward the direction of future development,and looks forward to the prospect of 3D virtual garment fitting system.

    Key words: three-dimensional;virtual fitting;anthropometric measurement;human body modeling

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